Instalacje fotowoltaiczne ze względu na współpracę z siecią elektroenergetyczną można podzielić na dwa podstawowe rodzaje:
– instalacje fotowoltaiczne autonomiczne (ang. off-grid), nazywane też systemami samodzielnymi lub niezależnymi, ze względu na niezależność od sieci.
Schemat systemu autonomicznego Off-Grid. Źródło www.sunsol.pl
– instalacje fotowoltaiczne sprzężone, współpracujące z siecią elektroenergetyczną (ang. on-grid).
Schematy systemów autonomicznego i współpracującego z siecią, z urządzeniami w nich stosowanymi, zostały zaprezentowane poniżej:
Schemat systemu współpracującego z siecią On-Grid Źródło www.sunsol.pl
Podstawowym elementem każdej instalacji fotowoltaicznej, są połączone ze sobą moduły fotowoltaiczne, tworzące panel i będące generatorem, źródłem energii elektrycznej. Jednak moduły PV muszą współpracować z innymi urządzeniami, aby dostarczyć i wykorzystać uzyskaną energię.
W każdym rodzaju systemów fotowoltaicznych, przy zasilaniu budynków stosuje się oprócz generatora fotowoltaicznego, przetwornice napięcia, nazywane inwerterami, falownikami, przemiennikami częstotliwości. Urządzenia te umożliwiają zamianę napięcia wyjściowego z paneli, czyli napięcia stałego o wartości 12 V lub 24 V, na napięcie zmienne 230 V lub 400 V o stałej częstotliwości, umożliwiając wykorzystywanie energii elektrycznej przez odbiorniki. W systemach połączonych z siecią, konieczne jest użycie falownika, który dodatkowo oddając energię elektryczną bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej będzie się z nią synchronizował. Straty mocy wynoszą w przetwornicach wynoszą do 10%, a wymagania stawiane parametrom pracy dotyczą stałej częstotliwości i amplitudy, oraz niskich zniekształceń napięcia i prądu po stronie zmiennego napięcia. Urządzenia te powinny charakteryzować się ochroną przed zwarciem i przegrzaniem, zakres pracy zarówno z małym i pełnym obciążeniem, prostą instalacją.
Systemy autonomiczne są dodatkowo wyposażone w akumulator, który umożliwia gromadzenie energii, poprzez najpierw zamianę energii elektrycznej w chemiczną, a później ponowną zamianę na energię elektryczną . Umożliwia to zasilanie np. w nocy lub w okresach niewystarczającego nasłonecznienia. Najczęściej branym pod uwagę parametrem akumulatorów jest ich pojemność, czyli zdolność do przechowywania ładunku elektrycznego, wyrażana w amperogodzinach [Ah]. Ze względu na charakter pracy instalacji fotowoltaicznej, ważne aby dobrany do niej akumulator był przystosowany do ciągłej cyklicznej pracy w trybie buforowym, w szerokim zakresie temperatur, z rzadkim pozostawaniem w całkowitym naładowaniu i założenie czasu wyładowań do 100 godzin. Z tego powodu ważne jest stosowanie akumulatorów dedykowanych do instalacji fotowoltaicznych, które są dostosowane do takiej pracy, ponieważ przy zastosowaniu klasycznego akumulatora nie osiągnie on założonego czasu eksploatacji. W razie potrzeby możliwe jest połączenie większej ilości akumulatorów w tzw. baterię, należy jednak sprawdzić przed uruchomieniem wszystkie ogniwa pod względem zgodności numeru fabrycznego, prawidłowości wykonanych połączeń oraz właściwej polaryzacji.
Między generatorem fotowoltaicznym, a akumulatorem, znajduje się regulator ładowania. Jest to urządzenie kontrolujące stopień naładowania akumulatora i odłączające panel, gdy akumulator jest w pełni naładowany lub odłączające zasilany odbiornik, chroniąc urządzenie magazynujące energię przed zbytnim rozładowaniem. Dodatkowo nowe konstrukcje regulatorów umożliwiają informowanie o poziomie naładowanie akumulatora, monitoring i analizę działania instalacji, a później np. automatycznie umożliwiają pracę przy napięciu, które daje maksymalną moc wyjściową. Typowy regulator pracuje na napięcie 12 lub 24V.
W systemach współpracujących z siecią elektroenergetyczną, nie jest wymagane stosowanie akumulatorów i regulatorów ładowania, ponieważ w przypadku braku odpowiednich warunków nasłonecznienia, niedobór energii zostaje uzupełniony z sieci. W tego rodzaju instalacjach istnieje także możliwość sprzedaży nadwyżki wyprodukowanej energii. W celu rozliczenia się z oddawanej i pobieranej energii konieczne jest zainstalowanie układu pomiarowo-rozliczeniowego, czyli licznika energii elektrycznej, który jest własnością i jest montowany przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego na naszym obszarze.
Dobrym rozwiązaniem jest zamontowanie w systemie także centrali komunikacyjnej, która kontroluje uzyski energii z instalacji, co jest podstawowym warunkiem ciągłego zabezpieczenia pracy. Centrale bazują na połączeniu z falownikiem, zapisując dane w wewnętrznej pamięci, lub często przesyłając je bezprzewodowo do komputera lub telefonu użytkownika. Cała instalacja fotowoltaiczna jest połączona za pomocą przewodów elektroenergetycznych, o odpowiednio dobranym przekroju. Konieczne jest także zabezpieczenie systemu, poprzez zamontowanie wymaganych rozłączników, bezpieczników i zabezpieczeń odgromowych.
Instalacja autonomiczna pozwala na całkowitą niezależność energetyczną odbiorcy, dlatego znajduje zastosowanie przeważnie do zasilania budynków, które znajdują się w dużej odległości od sieci energetycznej i przyłączenie do niej byłoby kosztowne albo niemożliwe.. Wadą systemu niezależnego w porównaniu z podłączonym do sieci jest potrzeba zamontowania akumulatora, który jest uciążliwy w eksploatacji i zwiększa koszt całej instalacji nawet o 50%.
Występują także systemy fotowoltaiczne hybrydowe, współpracujące z innymi źródłami energii elektrycznej np. generatorem spalinowym, turbiną wiatrową. Poszczególne instalacje w zależności od ich rodzaju i zasilanych odbiorników różną się między sobą elementami, urządzeniami, które wchodzą w ich skład.
W jednym domu jednorodzinnym instalacja elektryczna może być zasilana z poniższych źródeł:
– sieć elektroenergetyczna,
– instalacja fotowoltaiczna,
– turbina wiatrowa,
– agregat prądotwórczy.
Bibliografia:
Zimny J., Odnawialne źródła energii w budownictwie niskoenergetycznym, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2010.
Chmielniak T., Technologie energetyczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008.
Opracował
mgr inż. Maciej Stronka
